姜黄素的抗氧化机制及以其为先导物的抗氧化化合物研究进展
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收稿日期：2009-06-08
１
百度文库姜黄素的抗氧化机制 姜黄素抗氧化机理为姜黄素类抗氧化剂的开发提供
基金项目： “十一五”国家科技支撑计划重点项目(2 006BAD18B04) ；湖南省教育厅重点项目； 湖南省科技计划项目(2007NK3119)；长沙市科技局重点项目(K0802109-21) 作者简介：薛海鹏(1984 —) ，男，硕士研究生，研究方向为天然产物化学与利用。E-mail ：xuehaipeng1984@163.com * 通信作者：李湘洲(1965 —) ，女，教授，硕士，研究方向为天然产物化工和生物质材料。E-mail ：rlxz@163.com
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 07
303
理论指导，目前对姜黄素类抗氧化分子的设计和合成基 本上都是基于其抗氧化机制而开展的。 姜黄素有两个活性部位，一个是酚羟基单元；另 一个是 β- 二酮单元，这两个单元都可以提供质子阻断 自由基反应，姜黄素及其衍生物的抗氧化机理研究主要 集中在酚羟基和 β- 二酮两种基团在抗氧化过程中的作 用，哪一个单元在生物抗氧化中起主要作用，成为许 多自由基化学家研究的焦点。 Jovanovic 等[13]采用激光闪光光解和脉冲辐射技术研 究了姜黄素和脱氢姜油酮分别与甲基自由基和叔丁氧基 自由基的反应速率常数，从反应速率常数的差异得出β二酮单元中 CH 2 基团的 C － H 健能非常弱，C － H 健断 裂后不成对电子可以在两个邻近的氧原子和碳原子之间 离域，据此 Jovanovic 提出姜黄素可以作为一个重要的 氢给体，在抗氧化过程中主要是 β- 二酮中间的亚甲基 提供质子，因此其主要活性部位在 β- 二酮单元。 Barclay [14] 通过研究苯乙烯在氯苯溶液中的过氧化， 比较姜黄素及其衍生物二甲基姜黄素的抗氧化活性，证 明姜黄素是一个典型的链断型抗氧化剂，并且 H 原子主 要 来 自 酚 羟 基 而 不 是 β- 二 酮 单 元 上 的 C H 2 基 团 。 Priyadarsini 等 最近的研究指出，姜黄素和二甲基姜黄
食品科学
※专题论述
成了一系列多羟基姜黄素衍生物(化合物 14～19)，多烃基姜 黄素衍生物均具有良好的抗氧化活性，尤其对 DPPH 自由 基的清除能力强，其 IC50 值均小于或等于 8.0μmol/L。姜 黄素衍生物(化合物 1～19)的结构如表 1 所示。 由上述研究及表 1 可知：1) 姜黄素衍生物两个苯环 上的取代基可以不同，分子结构对称性并不是抗氧化活 性所必须的；2) 酚羟基对抗氧化活性有重要影响，多羟 基结构能显著提高抗氧化活性；3) 邻甲氧基苯酚基团对 抗氧化活性起到了重要作用；4) 烷基取代能增强抗氧化 活性，但当烷基链碳原子数大于 19 时，会使活性降低。 2.2 桥链修饰的姜黄素衍生物 姜黄素的抗氧化机制研究表明，姜黄素的 β- 二酮 部分的亚甲基对其抗氧化活性也是很重要的。因此有研 究者试图通过修饰姜黄素的 β- 二酮的结构、桥链的延 长或缩短，以期得到具有良好抗氧化活性的姜黄素衍生物。 Weber 等
自由基可以引起生物膜脂质和 D N A 的氧化性损 伤，导致癌症
[1-3]
抗氧化活性的姜黄素衍生物的合成、构效关系和生物活 性研究。目前，国内学者主要开展了针对提高抑菌、 杀虫、抗肿瘤活性的姜黄素衍生物研究[11-12] ，针对提高 抗氧化性和探索抗氧化机理的研究工作报道较少。本文 重点综述国内外对姜黄素的抗氧化机制和基于两类抗氧 化活性的姜黄素衍生物的研究进展。
[8]
亚甲基以及桥链的伸长和缩短等方面。 2.1 姜黄素芳香环修饰衍生物 姜黄素芳香环的结构修饰主要是取代基的种类和数 量。Oyama 等[17] 研究了 5'- n - 烷基姜黄素衍生物( 化合物 1 ～ 7 ) 和姜黄素对细胞抗氧压力的保护作用，结果表 明：5'- n - 烷基姜黄素对油脂过氧化的抑制作用随烷基链 的增长而增大，当烷基链增长到 C 19 H 39 ，随渗透作用的 下降，5'- n - 烷基姜黄素的抗氧化能力急剧下降，5'- n - 烷 基姜黄素中，化合物 2 对细胞的渗透性最好，其抗氧化 作用最有效。 陈巍峰[18]合成了一系列姜黄素衍生物(化合物 8～13)， 并研究了姜黄素及其衍生物对人低密度蛋白(LDL)的抗氧 化作用，以及对老鼠肝线粒体中油脂过氧化反应和蛋白 质氧化的抑制活性。氧化过程动力学分析表明，这些 化合物除了 8 、 9 、 1 0 外，都是通过酚羟基氢原子发生 过氧化反应，从而对 L D L 产生有效的抗氧化作用，除 了 8 、 1 1 外都能够通过酚羟基中的 H 原子，有效抑制 自由基引起的油脂过氧化反应和蛋白质氧化对老鼠肝线 粒体的损害。具有邻苯二酚官能团的化合物 1 2 、 1 3 抗 氧化性明显高于姜黄素及其他衍生物。
素抑制射线引起的老鼠肝体脂质过氧化时，酚羟基是姜 黄素抗氧化的活性中心部位，在清除 DPPH 自由基的实 验中也有同样的结果。DFT 理论计算表明[15] ，O － H 化 学键裂解焓变(BDE)为 344579.32J/mol，比β- 二酮的 C － H 的 BDE(365676.02J/mol)低 21096.70J/mol，所以酚羟基是 姜黄素抗氧化活性的中心部位。同时，姜黄素抗氧化 活性的发生部位与反应介质有密切关系。 在 B a r c l a y 发表姜黄素从酚羟基给氢的观点后， Jovanovic 等[16]采用激光闪光光解和脉冲辐射技术研究了 姜黄素自由基和甲基化的姜黄素自由基的性质，发现姜 黄素自由基的衰减不受氧浓度的影响，而甲基化的姜黄 素自由基的衰减受氧浓度的影响，指出姜黄素自由基首 先是β- 氧 - 烷基自由基，然后经历分子内氢迁移形成姜 黄素酚氧自由基，而甲基化的姜黄素自由基只能是 β 氧 - 烷基自由基，它与氧加成形成过氧自由基，因此它 被脂质过氧自由基夺取β- 二酮单元上的 CH2 基团上的氢 后，形成的β- 氧 - 烷基自由基与氧加成最终形成过氧自 由基，有可能引发脂质过氧化，从而不表现出抗氧化 活性。 ２ 基于抗氧化活性的姜黄素衍生物研究进展 近年国内外研究者们对基于抗氧化活性的姜黄素结 构修饰进行了大量研究工作，得出了很多有价值的结 论。根据姜黄素结构特点，国内外研究者对姜黄素结 构的结构修饰主要集中在芳香环、 β- 二酮基和β- 二酮
[9 ]
姜黄素的化学结构如图 1 所示。现代药理学研究表明： 姜黄素能够抑制脂质的过氧化、抑制蛋白质的氧化、抑 制诱导性氧化氮合酶(iNOS) 的活性[10] 。然而，进一步的 研究发现：姜黄素水溶性差；并且在体内吸收少、代 谢过快；生物利用度低，极大地限制了它的应用。所 以国外近年以姜黄素为先导化合物，开展了大量的基于
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2010, Vol. 31, No. 07
食品科学
※专题论述
姜黄素的抗氧化机制及以其为先导物的 抗氧化化合物研究进展
薛海鹏，李湘洲 * ，旷春桃，孟 维，郭远良
(中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)
摘 要：姜黄素具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌等多种药理活性。近年来为开发姜黄素类抗氧化剂，国内外研究者设 计和合成了大量姜黄素衍生物。本文介绍了姜黄素及其衍生物的抗氧化机制，重点概述基于抗氧化的姜黄素抗氧化 衍生物的研究进展。 关键词：姜黄素；抗氧化机制；姜黄素衍生物；先导化合物
H C11 H 23 H C19 H 39 H H H H H H OH H H H H H OCH3 H H OCH3 OH OCH3 H OH OH OH OH OH
OCH3 OCH3
14 OH
Venkateswarlu 等[19]通过羟基苯甲醛与乙酰丙酮缩合合
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2010, Vol. 31, No. 07
Abstract： Curcumin has been reported to have many pharmacological activities, such as antioxidant, antitumor, and antibacterial activities. In recent years, a number of curcuminoids have been designed and synthesized to obtain more effective antioxidants. The antioxidant mechanisms of curcumin and its derivatives are discussed, and the research progresses in the synthesis of antioxidant curcuminoids are reviewed in this paper. Key words：curcumin；antioxidant mechanism；curcuminoids；leading compound 中图分类号：S632.5；TS201 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)07-0302-06
表 １ 姜黄素衍生物（化合物 １～１９）的结构 Table 1 Structures of chemically synthesized derivatives of curcumin 1 － 19 结构分析 R1 R2 化合物 R3 R4 R1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 H H H H H H H H H H H H H H H H H H R2 CH 2 C3H 7 C5H 11 C7H 15 C9H 19 C11 H 23 C19 H 39 H H OCH3 OH OH H H OH OH OH OH R3 OH OH OH OH OH OH OH OCH3 H OH OH OH H OH OH OH OH OH R4 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 H H H H H H OH H OCH3 OCH3 OH OH R5 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H R6 H H H H H R7 CH 2 C2H 7 C5H 11 C7H 15 C9H 19 R5 R 10 R9 R8 OH OH OH OH OH OH OH OCH3 OCH3 H OH OH OH H OH OH OH OH OH R9 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 H H H H H H OH H OCH3 H H OH R 10 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H O O R6 R7 R8
Research Progress in Antioxidant Mechanisms of Curcumin and Development of Antioxidant Curcuminoids
XUE Hai-peng ，LI Xiang-zhou* ，KUANG Chun-tao ，MENG Wei，GUO Yuan-liang (College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)
O H3CO HO 图 １ 姜黄素的化学结构 Fig.1 Structure of curcumin O OCH3 OH
、心血管疾病
[4-5]
、阿尔默海茨
[6-7]
等疾
病，同时自由基也与食物加工与储存过程中的腐败变质 有关。因此，在医药和食品工业中具有抗氧化作用的 化合物显得越来越重要[8]。姜黄素(curcumin) 是从姜科植 物的根茎中提取的一种具有抗氧化作用的天然化合物， 易溶于冰醋酸、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、丙二醇和 碱性溶液，是大自然中极为稀少的二酮类有色物质。姜 黄素是一个由两个酚羟基，两个不饱和酮双键，一个 β- 二酮和一个中性活性亚甲基组成的对称分子结构 。
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百度文库姜黄素的抗氧化机制 姜黄素抗氧化机理为姜黄素类抗氧化剂的开发提供
基金项目： “十一五”国家科技支撑计划重点项目(2 006BAD18B04) ；湖南省教育厅重点项目； 湖南省科技计划项目(2007NK3119)；长沙市科技局重点项目(K0802109-21) 作者简介：薛海鹏(1984 —) ，男，硕士研究生，研究方向为天然产物化学与利用。E-mail ：xuehaipeng1984@163.com * 通信作者：李湘洲(1965 —) ，女，教授，硕士，研究方向为天然产物化工和生物质材料。E-mail ：rlxz@163.com
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 07
303
理论指导，目前对姜黄素类抗氧化分子的设计和合成基 本上都是基于其抗氧化机制而开展的。 姜黄素有两个活性部位，一个是酚羟基单元；另 一个是 β- 二酮单元，这两个单元都可以提供质子阻断 自由基反应，姜黄素及其衍生物的抗氧化机理研究主要 集中在酚羟基和 β- 二酮两种基团在抗氧化过程中的作 用，哪一个单元在生物抗氧化中起主要作用，成为许 多自由基化学家研究的焦点。 Jovanovic 等[13]采用激光闪光光解和脉冲辐射技术研 究了姜黄素和脱氢姜油酮分别与甲基自由基和叔丁氧基 自由基的反应速率常数，从反应速率常数的差异得出β二酮单元中 CH 2 基团的 C － H 健能非常弱，C － H 健断 裂后不成对电子可以在两个邻近的氧原子和碳原子之间 离域，据此 Jovanovic 提出姜黄素可以作为一个重要的 氢给体，在抗氧化过程中主要是 β- 二酮中间的亚甲基 提供质子，因此其主要活性部位在 β- 二酮单元。 Barclay [14] 通过研究苯乙烯在氯苯溶液中的过氧化， 比较姜黄素及其衍生物二甲基姜黄素的抗氧化活性，证 明姜黄素是一个典型的链断型抗氧化剂，并且 H 原子主 要 来 自 酚 羟 基 而 不 是 β- 二 酮 单 元 上 的 C H 2 基 团 。 Priyadarsini 等 最近的研究指出，姜黄素和二甲基姜黄
食品科学
※专题论述
成了一系列多羟基姜黄素衍生物(化合物 14～19)，多烃基姜 黄素衍生物均具有良好的抗氧化活性，尤其对 DPPH 自由 基的清除能力强，其 IC50 值均小于或等于 8.0μmol/L。姜 黄素衍生物(化合物 1～19)的结构如表 1 所示。 由上述研究及表 1 可知：1) 姜黄素衍生物两个苯环 上的取代基可以不同，分子结构对称性并不是抗氧化活 性所必须的；2) 酚羟基对抗氧化活性有重要影响，多羟 基结构能显著提高抗氧化活性；3) 邻甲氧基苯酚基团对 抗氧化活性起到了重要作用；4) 烷基取代能增强抗氧化 活性，但当烷基链碳原子数大于 19 时，会使活性降低。 2.2 桥链修饰的姜黄素衍生物 姜黄素的抗氧化机制研究表明，姜黄素的 β- 二酮 部分的亚甲基对其抗氧化活性也是很重要的。因此有研 究者试图通过修饰姜黄素的 β- 二酮的结构、桥链的延 长或缩短，以期得到具有良好抗氧化活性的姜黄素衍生物。 Weber 等
自由基可以引起生物膜脂质和 D N A 的氧化性损 伤，导致癌症
[1-3]
抗氧化活性的姜黄素衍生物的合成、构效关系和生物活 性研究。目前，国内学者主要开展了针对提高抑菌、 杀虫、抗肿瘤活性的姜黄素衍生物研究[11-12] ，针对提高 抗氧化性和探索抗氧化机理的研究工作报道较少。本文 重点综述国内外对姜黄素的抗氧化机制和基于两类抗氧 化活性的姜黄素衍生物的研究进展。
[8]
亚甲基以及桥链的伸长和缩短等方面。 2.1 姜黄素芳香环修饰衍生物 姜黄素芳香环的结构修饰主要是取代基的种类和数 量。Oyama 等[17] 研究了 5'- n - 烷基姜黄素衍生物( 化合物 1 ～ 7 ) 和姜黄素对细胞抗氧压力的保护作用，结果表 明：5'- n - 烷基姜黄素对油脂过氧化的抑制作用随烷基链 的增长而增大，当烷基链增长到 C 19 H 39 ，随渗透作用的 下降，5'- n - 烷基姜黄素的抗氧化能力急剧下降，5'- n - 烷 基姜黄素中，化合物 2 对细胞的渗透性最好，其抗氧化 作用最有效。 陈巍峰[18]合成了一系列姜黄素衍生物(化合物 8～13)， 并研究了姜黄素及其衍生物对人低密度蛋白(LDL)的抗氧 化作用，以及对老鼠肝线粒体中油脂过氧化反应和蛋白 质氧化的抑制活性。氧化过程动力学分析表明，这些 化合物除了 8 、 9 、 1 0 外，都是通过酚羟基氢原子发生 过氧化反应，从而对 L D L 产生有效的抗氧化作用，除 了 8 、 1 1 外都能够通过酚羟基中的 H 原子，有效抑制 自由基引起的油脂过氧化反应和蛋白质氧化对老鼠肝线 粒体的损害。具有邻苯二酚官能团的化合物 1 2 、 1 3 抗 氧化性明显高于姜黄素及其他衍生物。
素抑制射线引起的老鼠肝体脂质过氧化时，酚羟基是姜 黄素抗氧化的活性中心部位，在清除 DPPH 自由基的实 验中也有同样的结果。DFT 理论计算表明[15] ，O － H 化 学键裂解焓变(BDE)为 344579.32J/mol，比β- 二酮的 C － H 的 BDE(365676.02J/mol)低 21096.70J/mol，所以酚羟基是 姜黄素抗氧化活性的中心部位。同时，姜黄素抗氧化 活性的发生部位与反应介质有密切关系。 在 B a r c l a y 发表姜黄素从酚羟基给氢的观点后， Jovanovic 等[16]采用激光闪光光解和脉冲辐射技术研究了 姜黄素自由基和甲基化的姜黄素自由基的性质，发现姜 黄素自由基的衰减不受氧浓度的影响，而甲基化的姜黄 素自由基的衰减受氧浓度的影响，指出姜黄素自由基首 先是β- 氧 - 烷基自由基，然后经历分子内氢迁移形成姜 黄素酚氧自由基，而甲基化的姜黄素自由基只能是 β 氧 - 烷基自由基，它与氧加成形成过氧自由基，因此它 被脂质过氧自由基夺取β- 二酮单元上的 CH2 基团上的氢 后，形成的β- 氧 - 烷基自由基与氧加成最终形成过氧自 由基，有可能引发脂质过氧化，从而不表现出抗氧化 活性。 ２ 基于抗氧化活性的姜黄素衍生物研究进展 近年国内外研究者们对基于抗氧化活性的姜黄素结 构修饰进行了大量研究工作，得出了很多有价值的结 论。根据姜黄素结构特点，国内外研究者对姜黄素结 构的结构修饰主要集中在芳香环、 β- 二酮基和β- 二酮
[9 ]
姜黄素的化学结构如图 1 所示。现代药理学研究表明： 姜黄素能够抑制脂质的过氧化、抑制蛋白质的氧化、抑 制诱导性氧化氮合酶(iNOS) 的活性[10] 。然而，进一步的 研究发现：姜黄素水溶性差；并且在体内吸收少、代 谢过快；生物利用度低，极大地限制了它的应用。所 以国外近年以姜黄素为先导化合物，开展了大量的基于
302
2010, Vol. 31, No. 07
食品科学
※专题论述
姜黄素的抗氧化机制及以其为先导物的 抗氧化化合物研究进展
薛海鹏，李湘洲 * ，旷春桃，孟 维，郭远良
(中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)
摘 要：姜黄素具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌等多种药理活性。近年来为开发姜黄素类抗氧化剂，国内外研究者设 计和合成了大量姜黄素衍生物。本文介绍了姜黄素及其衍生物的抗氧化机制，重点概述基于抗氧化的姜黄素抗氧化 衍生物的研究进展。 关键词：姜黄素；抗氧化机制；姜黄素衍生物；先导化合物
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Venkateswarlu 等[19]通过羟基苯甲醛与乙酰丙酮缩合合
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Abstract： Curcumin has been reported to have many pharmacological activities, such as antioxidant, antitumor, and antibacterial activities. In recent years, a number of curcuminoids have been designed and synthesized to obtain more effective antioxidants. The antioxidant mechanisms of curcumin and its derivatives are discussed, and the research progresses in the synthesis of antioxidant curcuminoids are reviewed in this paper. Key words：curcumin；antioxidant mechanism；curcuminoids；leading compound 中图分类号：S632.5；TS201 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)07-0302-06
表 １ 姜黄素衍生物（化合物 １～１９）的结构 Table 1 Structures of chemically synthesized derivatives of curcumin 1 － 19 结构分析 R1 R2 化合物 R3 R4 R1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 H H H H H H H H H H H H H H H H H H R2 CH 2 C3H 7 C5H 11 C7H 15 C9H 19 C11 H 23 C19 H 39 H H OCH3 OH OH H H OH OH OH OH R3 OH OH OH OH OH OH OH OCH3 H OH OH OH H OH OH OH OH OH R4 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 H H H H H H OH H OCH3 OCH3 OH OH R5 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H R6 H H H H H R7 CH 2 C2H 7 C5H 11 C7H 15 C9H 19 R5 R 10 R9 R8 OH OH OH OH OH OH OH OCH3 OCH3 H OH OH OH H OH OH OH OH OH R9 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 H H H H H H OH H OCH3 H H OH R 10 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H O O R6 R7 R8
Research Progress in Antioxidant Mechanisms of Curcumin and Development of Antioxidant Curcuminoids
XUE Hai-peng ，LI Xiang-zhou* ，KUANG Chun-tao ，MENG Wei，GUO Yuan-liang (College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)
O H3CO HO 图 １ 姜黄素的化学结构 Fig.1 Structure of curcumin O OCH3 OH
、心血管疾病
[4-5]
、阿尔默海茨
[6-7]
等疾
病，同时自由基也与食物加工与储存过程中的腐败变质 有关。因此，在医药和食品工业中具有抗氧化作用的 化合物显得越来越重要[8]。姜黄素(curcumin) 是从姜科植 物的根茎中提取的一种具有抗氧化作用的天然化合物， 易溶于冰醋酸、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、丙二醇和 碱性溶液，是大自然中极为稀少的二酮类有色物质。姜 黄素是一个由两个酚羟基，两个不饱和酮双键，一个 β- 二酮和一个中性活性亚甲基组成的对称分子结构 。